摘要
本研究聚焦寒区耕地，以芬兰南部 73 块农田为研究对象，涵盖休耕地、牧场、草地、燕麦、黑麦、蚕豆、油料作物、卷心菜 8 类主要种植类型，结合田间植物群落数据，通过扩增子测序技术分析土壤细菌与真菌群落，探究作物类型、植物丰富度、覆盖度及农业管理措施对土壤微生物分类组成与功能潜力的影响。结果显示，休耕地与卷心菜田块的微生物群落差异最为显著；植物丰富度显著影响微生物群落组成与功能潜力；微生物多样性并非衡量丛枝菌根真菌（AMF）、固氮及溶磷等有益功能的有效指标；休耕地微生物多样性较低，但固氮、无机磷溶解基因及 AMF 占比最高；多年生作物的有机种植模式下，AMF 与固氮基因占比更高；耕作强度与参与碳循环的细菌 β- 葡萄糖苷酶基因占比呈正相关。研究证实寒区耕地中作物类型、植物群落特征及农业管理共同调控土壤微生物群落，进而影响土壤生态功能。
研究背景
土壤微生物是农田生态系统的核心组成，参与养分循环、碳固定等关键生态过程，对粮食生产至关重要。植物通过根系结构、分泌物、凋落物及养分循环塑造土壤微生物群落，植物多样性、密度等特征会进一步调控该互作关系。目前温带地区相关研究较多，但寒区耕地中植物 - 微生物互作机制尚未明确，且现有研究多聚焦单一作物，忽略田间杂草等整体植物群落的影响。农业管理措施（耕作、施肥、农药、种植模式）直接干扰土壤环境，有机种植或可提升微生物多样性与有益功能，但寒区相关证据不足。此外，PICRUSt2、FUNGuild 等工具可预测微生物功能，为研究提供技术支撑。本研究旨在填补寒区耕地研究空白，验证 4 项假设：作物类型主导微生物群落；植物丰富度对真菌影响更显著；有机种植提升有益微生物功能；耕作强度抑制菌根真菌。
材料与方法
- 研究设计与采样：研究区位于芬兰南部，选取 73 块农田，涵盖 8 类种植类型（含长期休耕地）。每类作物尽量设置有机、常规管理田块，50m×50m 样方内记录所有维管植物物种及覆盖度；采集 0-15cm 表层土壤，每样点取 10 份土混合为 3 个重复，低温保存备用。
- DNA 提取与测序：采用试剂盒提取土壤 DNA，分别用细菌 16S rRNA、真菌 ITS 区特异性引物扩增，测序后经质控、去噪、分类，得到细菌 ASV 77366 条、真菌 ASV 7891 条；利用 PICRUSt2 预测细菌碳、氮、磷循环相关功能基因，FUNGuild 注释真菌营养型与功能群（仅高 / 中等可信度结果）。
- 变量测定：植物变量含物种丰富度、Shannon 指数、总覆盖度；管理变量含种植模式、耕作强度、氮肥用量、施肥类型、农药使用次数；土壤变量含 pH、总碳、总氮、碳氮比、颗粒有机碳。
- 统计分析：采用 PERMANOVA 分析微生物群落差异，PCoA 可视化群落分布；混合模型分析微生物多样性、功能群与作物 / 管理 / 环境因子的关系；Mantel 检验、相关性分析探究变量间关联。
结果
3.1 作物类型对土壤微生物群落、多样性及功能的影响
- 作物类型显著影响细菌、真菌群落组成，休耕地与卷心菜田块微生物群落差异最大（图 1）。
- 细菌优势门为放线菌门、变形菌门、酸杆菌门，真菌优势门为子囊菌门、担子菌门、毛霉菌门，休耕地与卷心菜的菌群门水平组成差异最显著（图 3）。
- 细菌丰富度：卷心菜、油料作物田最高，休耕地、黑麦田最低；真菌丰富度：牧场、草地、油料作物田最高，休耕地、黑麦田最低（图 2）。
- 氮磷循环相关功能基因受作物类型显著影响：休耕地固氮、无机磷溶解基因占比最高；卷心菜硝化基因占比高；燕麦、黑麦、卷心菜反硝化基因占比高（图 4）。
- 真菌功能群：腐生菌占比最高，AMF 占比呈休耕地＞牧场＞草地 / 燕麦＞黑麦 / 蚕豆 / 油料＞卷心菜的梯度变化（图 5）。
3.2 植物群落其他参数对微生物的影响
- 植物丰富度显著影响细菌、真菌群落组成，植物覆盖度仅影响真菌群落（图 1）。
- 植物丰富度与 AMF、固氮基因、无机磷溶解基因占比呈显著正相关，与微生物多样性无显著关联（图 6）。
- 土壤 pH、碳氮比等理化因子与微生物多样性、功能基因关联性更强。
3.3 农业管理对微生物群落、多样性及功能的影响
- 有机种植显著影响真菌群落组成，对细菌群落无显著影响（图 S4）。
- 真菌丰富度受作物类型与种植模式交互影响：多年生作物（牧场、草地）常规种植下真菌丰富度更高，一年生作物无差异（图 7）。
- 有机种植提升 AMF 与固氮基因占比；耕作强度越高，细菌碳循环（β- 葡萄糖苷酶）基因占比越高（图 8）。
结果图片
讨论
- 作物类型是寒区土壤微生物群落的核心驱动因子，休耕地与卷心菜因管理强度、植物特性差异，形成独特微生物群落；十字花科卷心菜产生的芥子油苷抑制微生物，是其群落特殊的关键原因。
- 微生物多样性不能等同于土壤有益功能，低多样性的休耕地因低投入、高植物多样性，富集固氮、溶磷、AMF 等有益功能，印证多样性与功能的非线性关系。
- 植物丰富度提升有益微生物功能，为寒区作物多样化种植提供理论支撑；真菌对植物群落变化更敏感，符合温带地区研究结论。
- 有机种植通过提升植物多样性、减少化肥农药，促进 AMF 与固氮菌群；高强度耕作破坏真菌菌丝，推动碳循环向细菌主导转变。
- 研究存在局限性：卷心菜无有机样本、油料作物有机 / 常规品种不一致；仅单点采样，缺乏季节动态；功能预测依赖生物信息工具，需宏基因组验证。
结论
寒区耕地中，作物类型、植物群落特征、农业管理措施共同塑造土壤微生物群落组成与功能潜力。作物类型主导微生物群落差异，休耕地与卷心菜的微生物特征最独特；植物丰富度显著提升 AMF、固氮、无机磷溶解等有益微生物功能；有机种植、多年生作物种植、适度少耕可增强土壤有益微生物潜力；微生物多样性并非衡量土壤功能的可靠指标，需重点关注 AMF、养分循环相关微生物功能群。研究为寒区可持续农业管理、提升土壤健康提供了微生物学依据。
